Sensor de conductividad para laboratorio

Un sensor de conductividad para laboratorio es una herramienta para medir la conductividad eléctrica de una solución de electrolito y se basa en la capacidad del material para conducir una corriente eléctrica. Se usa para medir la conductividad en aplicaciones de laboratorio y de campo.

Los electrolitos se disuelven para dar iones que conducen la electricidad. Cuanto mayor sea la concentración de iones, mayor será la conductividad. La célula de medición del sensor de conductividad consta de, al menos, dos polos conductores de electricidad con la carga opuesta para medir la conductancia de una muestra.

La conductividad se basa en la ley de Ohm, en la que el voltaje (V) establecido a través de una solución es proporcional a la corriente que fluye (I) y la resistencia (R) es una constante de proporcionalidad. La resistencia (R) se puede calcular con el flujo de corriente medido, si se aplica un voltaje conocido. La conductancia (G) se define como la inversa de la resistencia y, para medir este valor en una muestra, se requiere la célula de medición. La lectura de la conductancia depende de la geometría de la célula de medición, que se describe con la constante de célula (K). Esta es la relación entre la distancia (l) y el área (A) de los polos. La conductancia se puede transformar en conductividad estandarizada multiplicando la conductancia y la constante de célula.

La mayoría de los clientes miden la conductividad en un rango bastante reducido, por ejemplo, siempre la misma bebida o siempre agua desionizada. Con una calibración de un punto, se calibra el rango entre 0 µS/cm y este punto de calibración. Se recomienda elegir un estándar con una conductividad más alta que el valor esperado en la muestra, por ejemplo, 1413 µS/cm, cuando se espera 1200 µS/cm. Llevar a cabo un segundo punto de calibración en este ejemplo no cambiaría sustancialmente la lectura porque los estándares adyacentes 500 µS/cm y 12,88 mS/cm están ambos bastante lejos. Según el método 2510B del Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater y ASTM D1125, una calibración de un punto de la constante de célula a una conductividad representativa es suficiente para obtener lecturas de conductividad exactas.

La calibración de conductividad multipunto solo resulta válida cuando se usa el mismo sensor en un rango amplio, por ejemplo, de 50 a 5000 µS/cm. En este caso, el conjunto adecuado de estándares sería 84 µS/cm, 1413 µS/cm y 12,88 mS/cm.

Las células de conductividad clásicas de 2 polos constan de dos placas. Normalmente, las placas están rodeadas por un tubo exterior que las protege de daños mecánicos y reduce los errores causados por los efectos de campo. El punto fuerte de la célula de conductividad de 2 polos es la medición de baja conductividad con gran exactitud. Un rango de medición típico va de 0,001 μS/cm a 1000 μS/cm. Las principales aplicaciones de una célula de 2 polos son la medición de la conductividad de agua pura, de soluciones acuosas muy diluidas y de soluciones no acuosas.

Un diseño de célula de 4 polos consta de un polo exterior y un polo interior. Los polos exteriores son los polos de corriente a los que se aplica una corriente alterna. Estos funcionan del mismo modo que el sensor de 2 polos. Los polos de medición interiores se encuentran dentro del campo eléctrico de los polos de corriente y miden la tensión con un amplificador de impedancia alta. Por lo tanto, hay muy poco flujo de corriente en los polos internos donde se realiza la medición. De este modo, no se produce ningún efecto de polarización que pueda influir en la medición. El punto fuerte de una célula de conductividad de 4 polos radica en la medición de la conductividad en un amplio rango de medición, desde 10 μS/cm hasta 1000 mS/cm. Las principales aplicaciones de este tipo de sensor son las mediciones en agua de mar, aguas residuales o ácidos o bases diluidos.

La elección del sensor de conductividad para laboratorio adecuado es fundamental para obtener resultados exactos y fiables. El sensor adecuado es el que mejor se adapta a las necesidades de la aplicación.

a. Un requisito básico es que no se produzcan reacciones químicas entre la muestra y el sensor. Para muestras químicamente reactivas, el vidrio y el platino suelen ser las mejores opciones, ya que cuentan con la mejor resistencia química de entre todos los materiales usados en las células habitualmente. Para las aplicaciones de campo, así como para numerosas aplicaciones de laboratorio, la estabilidad mecánica del sensor es un factor mucho más importante. A menudo, se usa un sensor de conductividad con una estructura de epoxi y electrodos de grafito, ya que se ha demostrado que resulta muy duradero y que cuenta con una buena resistencia química. Para soluciones acuosas y disolventes orgánicos de baja reactividad, el uso de células de acero o titanio suele ser una buena alternativa. La elección se vuelve especialmente importante para las muestras no acuosas, de baja conductividad, ricas en proteínas y viscosas donde los sensores de pH habituales son potenciales fuentes de error.

b. Una constante de célula apropiada se correlaciona con la conductividad de la muestra. Cuanto menor sea la conductividad esperada de la muestra, menor debería ser la constante de célula del sensor. Para tomar una decisión entre una célula de 2 polos y una de 4 polos, se puede usar la siguiente regla básica: para mediciones de baja conductividad, se debería usar una célula de 2 polos. Para mediciones de conductividad media y alta, es preferible una célula de 4 polos, sobre todo para mediciones en un amplio rango de conductividad.
 

Hay varias formas de compensar la temperatura.

La conductividad se ve afectada en gran medida por la temperatura en una solución acuosa (~2 %/°C). Por este motivo, la práctica habitual es vincular cada medición con una temperatura de referencia. Las temperaturas de referencia más usadas en el caso de las mediciones de conductividad son 20 °C o 25 °C.

Se han desarrollado diferentes métodos de corrección de la temperatura para diferentes usos:

• Lineal: para soluciones de conductividad media a alta.
• No lineal: para aguas naturales como el agua subterránea, el agua superficial, el agua potable y el agua residual.
• Agua pura: agua ultrapura, agua desionizada y agua destilada.
• Ninguno: algunos estándares como USP <645> prohíben por completo la compensación de la temperatura.

El impacto de la temperatura en diferentes iones, e incluso en diferentes concentraciones del mismo ion, puede resultar desafiante. Por lo tanto, hay que determinar un factor de compensación, llamado coeficiente de temperatura (α), para cada tipo de muestra. (Este también es el caso de los estándares de calibración. Todos los medidores de METTLER TOLEDO pueden tener en cuenta automáticamente esta compensación mediante tablas de temperatura preestablecidas).

Todos los manuales de usuario ofrecen la información necesaria sobre el almacenamiento a corto y largo plazo de los respectivos sensores. Por lo general, las sondas de conductividad para laboratorio se deben almacenar en seco a largo plazo.

Los electrodos de conductividad para laboratorio no tienen fecha de caducidad. Si el sensor se usa dentro de los límites de temperatura especificados y no se aplican al sensor ni al cable fuerzas mecánicas severas ni condiciones químicas adversas, en teoría se puede usar para siempre. Sin embargo, pueden ocurrir desviaciones en la constante de célula, debido a los depósitos de precipitados y sustancias grasas. En la mayoría de los casos, es posible restaurar el sensor lavándolo con etanol, alcohol isopropílico o acetona.

Los sensores de baja conductividad como InLab 741, InLab 742 e InLab Trace vienen con la constante de célula medida en su certificado. Estas son constantes de célula certificadas y se determinan tras el proceso de fabricación directamente en la planta con trazabilidad según los estándares ASTM y NIST. Con una incertidumbre máxima de ±2 %, son lo suficientemente exactos y se pueden usar para medir la conductividad introduciendo directamente el valor de la constante de célula en el medidor, sin necesidad de calibración. La constante de célula certificada se indica en el certificado de calidad, que está impreso en el cable del sensor y almacenado en el chip del sensor ISM.

Dado que estos sensores están particularmente diseñados para su uso en medios de baja conducción, como agua pura, ultrapura, destilada y desionizada, es muy poco probable que la célula de medición se vea contaminada. Por tanto, la constante de célula puede considerarse estable. Sin embargo, es indispensable la verificación regular de la precisión con un estándar de conductividad (por ejemplo, 10 µS/cm).

El resto de los sensores de conductividad de METTLER TOLEDO llevan constantes de célula nominales impresas en los certificados. Estos sensores deben calibrarse antes de su uso con las soluciones patrón de calibración adecuadas.

Si se desconoce la constante de célula exacta, se debe realizar la calibración. Cuando se conoce la constante de célula exacta, la verificación es suficiente. Este es el caso de los sensores con constante de célula certificada o sensores previamente calibrados.

Sí, se puede. Las sustancias orgánicas también tienen propiedades disociativas. Los compuestos orgánicos como el benceno, los alcoholes y los productos del petróleo suelen tener una conductividad muy baja.

Debe enjuagarse el sensor después de cada medición con agua desionizada. Si el sensor se ha expuesto a una muestra inmiscible con agua, debe limpiarse con un disolvente miscible con agua, por ejemplo, etanol o acetona, y enjuagarse cuidadosamente con agua desionizada. Si hay una acumulación de sólidos dentro de la célula de medición, elimínela con cuidado con un bastoncillo de algodón empapado en una solución de detergente y, luego, enjuague el sensor con agua desionizada.

(Precaución: los sensores con polos platinizados nunca deben limpiarse mecánicamente, ya que esto podría dañar los sensores).